廣播電視UPS電源可靠性與容錯率的設計

張 欽

（天津廣播電視發展有限公司，天津 300000）

0 引言

目前，廣播電視行業要求電能不間斷供應24 h，確保節目的播出質量，也避免停電、市電不穩定對直播造成負面影響。基于這種情況，引入UPS 電源是必然選擇，且為了獲取更好的供電成效，需要對UPS 電源進行優化設計，提升其運行可靠性以及容錯率，切實滿足不同等級工藝技術的用電需要。

1 廣播電視UPS 電源及其設計依據分析

1.1 廣播電視UPS 電源

UPS（不間斷電源，如圖1 所示）主要將蓄電池與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉變為市電的系統設備，實現不間斷的、穩定的電力供應。在實際的運行過程中，如果市電正常供應，UPS 電源可以將市電穩壓后提供給負載使用，此時的UPS 可以視為交流式電穩壓器；如果市電中斷，UPS 電源可以立即在逆變器切換轉換的支持下，向負載繼續供應220 V 交流電，保證相關設備在正常運行的條件下長時間穩定[1]。

圖1 廣播電視UPS 電源

1.2 提高廣播電視UPS 電源可靠性與容錯率的設計依據

從UPS 電源現實功能的角度來看，其中廣播電視系統中維護播控設備、直播設備長時間穩定運行的最后一道防線，可以滿足當前廣播電視系統對于電力供應的更高要求，落實對廣播電視UPS 電源可靠性與容錯率優化[2]。現階段，國家廣播電視總局在總局62 號令中對廣播電視UPS電源提出了更多的規范性要求，需要進一步強化其可靠性以及科學合理性，該規范中，對UPS 電源系統的配置進行了分級設定，具體如下。

在A 級機房條件下，可以應用M（N+1）冗余和2N雙母線冗余等，可引入一路（N+1）UPS 和一路市電供電方式，該冗余需要設置UPS 系統自動換轉旁路以及UPS 系統手動維修旁路；在B 級機房條件下，可以應用N+1 并聯冗余，該冗余需要設置UPS 系統自動換轉旁路以及UPS 系統手動維修旁路；在C 級機房條件下，滿足基本要求即可。

2 廣播電視UPS 電源系統配置方法的設計

2.1 配置方法的選取標準

針對不同的等級，廣播電視中心供配電的設計標準要求也存在一定的差異性，在進行廣播電視UPS 電源系統的配置過程中，應當著重關注這些標準要求的落實，具體如下。

保障等級為1 級主要包括省級以上的廣播電視臺或者擁有上星節目的廣播電視中心，廣播時要求接入2 路外部電源（至少包括1 路專線電源），并配置自備電源，要求設置專用工藝變壓器（基于不同外電設置且互為備用），設定UPS 系統電池的最低備用時間為30 min，要求引入主播出設備、備用播出設備和雙電源播出設備具有差異性的UPS供電回路；保障等級為2 級主要包括副省級城市以及省會城市的廣播電視臺或者節目覆蓋全省/跨省上的非上星節目廣播電視中心，廣播時要求接入2 路外部電源（至少包括1 路專線電源），并且配置自備電源或是與相關電力部門提前落實應急供電協議的簽訂，要求設置專用工藝變壓器，設定UPS 系統電池的最低備用時間為30 min，要求引入主播出設備、備用播出設備以及雙電源播出設備具有差異性的供電回路；保障等級為3 級主要包括地市/縣級以上的廣播電視臺或者非上星節目的廣播電視中心，應當接入2 路外部電源，如果僅具備1 路外部電源則必須要配置自備電源，不要求設置專用工藝變壓器，設定UPS 系統電池的最低備用時間為30 min，要求引入主播出設備、備用播出設備以及雙電源播出設備具有差異性的供電回路。

2.2 不同數據中心標準下的冗余配置方式

2.2.1 基于A 級數據中心標準下的M（N+1）冗余的配置方式

就當前的情況來看，M（N+1）冗余的配置方式是目前A級數據中心標準下廣播電視UPS系統較為常用的一種方式，其中2（N+1）的方法在1 級廣播電視系統中更為常用，具體供電方式如下。引入4 套電池 以及4 臺主機，搭建起2 段相互獨立的并聯母線，均承擔負荷供電的任務；在實際的運行過程中，如果保持運行的正常狀態，則這4臺主機分別負擔1/4 的總負荷；如果存在1 套相互獨立的并聯母線出現故障時，該段在實際運行過程中應當承擔的負荷迅速轉入并聯UPS 系統承擔；如果在1 段母線與負荷之間的線路出現運行異常時，第2 段母線則立即負擔起所有負荷。相比于其他冗余配置方式來說，這種M（N+1）冗余的配置方式有更為明顯的應用優勢，能夠提供覆蓋面更廣的冗余。同時，在使用M（N+1）冗余的配置方式時，并行維護中也具備冗余，因此不需要在實際的維護過程中將負載切換至旁路。

2.2.2 基于A 級數據中心標準下的2N 雙母線冗余的配置方式

為了解決UPS 系統與負荷之間的線路故障問題。引入2 臺 USP 主機 。2N雙母線冗余的具體供電方式如下。引入2 臺 USP 主機，在2 段相互獨立的母線的支持下實現帶能源輸入，同時通過這2 段相互獨立的母線分別完成對應負荷的供電；在實際的運行過程中，如果保持運行的正常狀態，則這2 臺主機分別負擔1/2 的總負荷；如果存在1 臺主機或是對應配電線路發生故障時，該段在實際運行過程中應當承擔的負荷迅速由剩余UPS 系統承擔。

當雙輸入端子設備為主要負荷時，2 套相互獨立的USP 系統共同提供2 路負荷電源。在實際運行中，其中1套USP 系統出現故障后，負荷立即（0 s）自動轉入剩余USP，由其承擔負荷當單輸入端子設備為主要負荷時，靜態轉換開關的輸出端連接著負荷電源，且接入2 套USP 系統。此時，如果其中1 套USP 系統發生故障問題，則會在1/4 周波條件下自動完成負荷轉換，所有負荷轉入剩余USP 承擔。應用2N 雙母線冗余的配置方式，進一步增強 USP 系統的容錯能力。

2.2.3 基于B 級數據中心標準下的N+1并聯冗余的配置方式

為了更好地應對 USP 主機及電池故障的問題，可以引入N+1 并聯冗余的配置方式，降低相應故障的發生概率。N+1 并聯冗余的具體供電方式如下。引入 2 臺 USP 主機，同時通過相同母線輸入電源，并利用該母線為負載提供電力支持；在實際的運行過程中，如果保持運行的正常狀態，則這2 臺主機分別負擔1/2 的總負荷；如果存在1 臺主機或是1 套電池路發生故障時，USP 實現自動化運行，并立即將負荷自動轉入剩余USP，由其承擔負荷；如果存在系統過載的問題，則該USP 均轉入旁路實施運行。

對于N+1 并聯冗余的配置方式而言，其具備擴容功能以及冗余性。相比于單機系統來說，依托N+1 并聯冗余的配置能夠大幅延長平均無故障時間（一般為5.5 倍），使系統更加穩定地運行。

2.2.4 對比分析

為了滿足成本以及空間的要求，如果系統對UPS 系統的可靠性有著更高的要求，則選用M（N+1）冗余的配置方式更為合適；如果雙輸入端子設備為主要負荷，則選用2N雙母線冗余的配置方式更為合適；如果單輸入端子設備為主要負荷，則選用N+1 并聯冗余的配置方式更為合適。需要注意的是，選用任意冗余配置方式的最基礎前提是滿足保障等級。

2.3 UPS 系統輸入電源的配置

為了更好地應對USP 系統上級電源的故障問題，可以引入N+1 并聯冗余的配置方式，通過自動轉換開關實現對2路輸入電源的管控以及自動化切換，并保證相應的2路電源分別對應不同的差異性外路電源，也可以1 路電源對應外部電源、1 路電源對應柴油發電機電源。應用M（N+1）冗余、2N雙母線冗余的配置方式時，雖然可以不在線路加設自動轉換開關，但是必須要重點控制相應2 路電源分別對應差異性外路電源，且在工藝變壓器一側的主母排上接入柴油發電機電源。

需要注意的是，部分USP 供電在自動啟用后就不會再顯示檢修時間窗口，并不利于后續維修養護工作的落實。基于該情況，需要加設具備維修旁路的一體式自動轉換開關，也可以在線路中增設手動維修旁路開關。自動轉換開關的雙維修旁路原理如圖2 所示。

圖2 自動轉換開關的雙維修旁路原理

3 廣播電視UPS 電源的蓄電池容量確定

3.1 單體電池電壓的選取

現階段，單體電池的常用電壓主要有12 V 與2 V，在蓄電池類別相同的條件下，基于這2 種電壓的電池在放電特性方面基本不具備差異性，且由于2 V 蓄電池的容量普遍呈現出較高水平，所以在電力等領域中較為常用[3]。但是，對于UPS 系統而言，受到UPS 電源主流工作電壓相對較高時，12 V 電壓的蓄電池有著更高的應用優勢。基于此，在該文的計算過程中，均以12 V 電壓的蓄電池為例。

3.2 蓄電池容量計算方法的確定

3.2.1 安時法

計算蓄電池容量如公式（1）所示。

在上述計算公式中，蓄電池容量使用Q進行表示；安全系數使用K進行表示，計算中的取值設定為1.25；負荷電流使用I進行表示；實際放電小時數使用T進行表示；放電容量系數使用η進行表示；電池溫度系數使用α進行表示。計算時，如果放電小時數<10 h,則該電池溫度系數設定為0.006，1 h<放電小時數<10 h,則該電池溫度系數設定為0.008，如果放電小時數<1 h，則該電池溫度系數設定為0.01；電池所在環境的最低溫度使用t進行表示，一般來說，如果環境中不存在采暖設備，則最低溫度設定為5 ℃，如果環境中存在采暖設備，則最低溫度設定為15 ℃[4]。

選定型號為12 V、電池容量為200 Ah 的電池進行放電容量系數的實際值與經驗值（來源于GB 51194—2016）的對比，具體如下：在放電小時數達到0.5 h 的條件下，放電容量系數的實際值為0.57，而相應參數的經驗值為0.48；在放電小時數達到1 h 的條件下，放電容量系數的實際值為0.69，而相應參數的經驗值為0.55；在放電小時數達到2 h 的條件下，放電容量系數的實際值為0.77，而相應參數的經驗值為0.61；在放電小時數達到4 h 的條件下，放電容量系數的實際值為0.897，而相應參數的經驗值為0.79；在放電小時數達到6 h 的條件下，放電容量系數的實際值為0.96，而相應參數的經驗值為0.88；在放電小時數達到8 h 的條件下，放電容量系數的實際值為1.01，而相應參數的經驗值為0.94；在放電小時數達到10 h 的條件下，放電容量系數的實際值為1.04，而相應參數的經驗值為1。

綜合來看，現階段蓄電池實際的電池放電容量系數已經與經驗值（規范中提供）存在相對明顯的差異，基于這樣的情況，在計算實際的蓄電池容量時，出于對最終結果精準程度的考量，需要利用電池放電容量系數實際值完成相應計算。

3.2.2 恒功率法

利用下述公式即可完成對蓄電池容量的計算，如公式（2）所示。

在上述計算公式中，Q表示蓄電池容量；輸出有功功率利用P進行表示；逆變器的效率使用μ進行表示，普遍選取0.95；蓄電池的節數利用n進行表示；其余參數的含義、取值情況與安時法計算式中的內容保持一致。

3.2.3 優化算法

如果僅掌握UPS 主機的額定容量，但是并不了解實際負載的有功功率時，可以使用如下計算方法完成對蓄電池容量的計算，如公式（3）所示。

在上述計算公式中，UPS 主機的額定容量使用S進行表示；負載功率因數使用cosφ進行表示，一般在計算中取1 即可；其余參數的含義、取值情況與恒功率法計算式中的內容保持一致。在計算蓄電池容量時，不需要對溫度系數、安全系數進行修正處理，且負荷率普遍穩定在90%額定容量的條件下。同時，對負載功率因數均進行統一取值，即為1，可以視為再次完成一次簡單的修正處理，因此該蓄電池容量的優化算法具有一定的可操作性，并且其結果具有可靠性。

4 結語

綜上所述，在廣播電視系統中引入UPS 電源是必然選擇，為了獲取更好的供電成效，需要對UPS 電源進行優化設計，提升其運行可靠性以及容錯率。參考廣電總局提出的規則，在進行UPS 系統檢修時，如果節目停播，且停播影響范圍較廣時，必須要提前發出申請并進入停播申請程序。基于這樣的情況，在設計UPS 電源時要納入帶電維護和故障設備安全退出等功能，增強不間斷供電運行的可靠程度，結合UPS 系統配置方法的優化，全面滿足行業所有用電需要。